Клеточная линия - Cell lineage

Общие стадии развития клеток (линия развития клеток печени отмечена красным цветом)

Клеточная линия обозначает историю развития ткани или органа оплодотворенного эмбриона. Это основано на отслеживании клеточной родословной организма из-за клеточных делений и перемещения с течением времени, это начинается с исходных клеток и заканчивается зрелой клеткой, которая больше не может делиться.

Этот тип клонов можно изучить, пометив клетку (флуоресцентными молекулами или другими отслеживаемыми маркерами) и проследив за ее потомством после деления клетки. Некоторые организмы, такие как C. elegans , имеют предопределенный образец клеточного потомства, и взрослый самец всегда будет состоять из 1031 клетки, это связано с тем, что деление клеток у C. elegans генетически детерминировано и известно как эвтелез . Это вызывает сильную корреляцию между происхождением клеток и их судьбой. Другие организмы, такие как люди, имеют различные клоны и количество соматических клеток.

C. elegans : модельный организм

Будучи одним из первых пионеров клеточного происхождения, в 1960-х годах доктор Сидней Бреннер впервые начал наблюдать за дифференцировкой и последовательностью клеток у нематоды Caenorhabditis elegans . Доктор Бреннер выбрал этот организм из-за его прозрачного тела, быстрого размножения, легкости доступа и небольшого размера, что сделало его идеальным для наблюдения за клеточными линиями под микроскопом.

К 1976 году доктор Бреннер и его сотрудник доктор Джон Салстон определили часть клеточного происхождения в развивающейся нервной системе C. elegans . Повторяющиеся результаты показали, что нематода была эвтелической (у каждого человека были одинаковые пути дифференцировки). Это исследование привело к первоначальным наблюдениям запрограммированной гибели клеток или апоптоза.

После картирования различных участков клеточного клона C. elegans , доктор Бреннер и его сотрудники смогли собрать воедино первую полную и воспроизводимую карту судьбы клеточного клона. Позже они получили Нобелевскую премию 2002 года за свою работу в области генетической регуляции развития органов и программируемой гибели клеток. Поскольку c.elegans являются гермафродитами, они состоят как из мужских, так и из женских органов, где они хранят сперму и могут самооплодотворяться. C. elegans содержит 302 нейрона и 959 соматических клеток, где они начинаются с 1031, где 72 подвергаются апоптозу, который представляет собой запрограммированную гибель клеток. Это делает c.elegan модельным организмом для изучения клеточного происхождения и возможности наблюдать клеточные деления благодаря их прозрачному фенотипу.

История клеточного происхождения

Одно из первых исследований клеточных клонов было проведено в 1870-х годах Уитменом, который изучал паттерны дробления у пиявок и мелких беспозвоночных. Он обнаружил, что некоторые группы, такие как нематоды-черви и асцидии, образуют структуру деления клеток, которая одинакова у отдельных людей и остается неизменной. Считалось, что эта высокая корреляция между происхождением клеток и их судьбой определяется факторами сегрегации внутри делящихся клеток. Другие организмы имели стереотипные образцы клеточного деления и производили подлинии, которые были потомками определенных клеток-предшественников. Считается, что эти более изменчивые судьбы клеток связаны с их взаимодействием с окружающей средой. Благодаря новым достижениям в отслеживании клеток с большей точностью, это помогло биологическому сообществу, поскольку теперь для отображения исходных клеток используются различные цвета, и их можно легко отслеживать. Эти цвета являются флуоресцентными и наносятся на белки путем введения инъекций для отслеживания таких клеток.

Техники картирования судьбы

Клеточный клон может быть определен двумя методами: прямым наблюдением или клональным анализом. В начале 19 века использовалось прямое наблюдение, однако оно было весьма ограниченным, поскольку можно было изучать только небольшие прозрачные образцы. С изобретением конфокального микроскопа это позволило изучать более крупные и сложные организмы.

Возможно, самый популярный метод картирования клеточных судеб в эпоху генетики - это сайт-специфическая рекомбинация, опосредованная системами Cre-Lox или FLP-FRT . При использовании систем рекомбинации Cre-Lox или FLP-FRT активируется репортерный ген (обычно кодирующий флуоресцентный белок) и постоянно маркирует интересующую клетку и ее дочерние клетки, таким образом, отслеживая происхождение имен клеток. С помощью этой системы исследователи могли исследовать функцию своего любимого гена в определении судьбы клетки, создав генетическую модель, в которой внутри клетки одно событие рекомбинации предназначено для манипулирования интересующим геном, а другое событие рекомбинации предназначено для активации репортерного гена. Одна небольшая проблема заключается в том, что два события рекомбинации могут не происходить одновременно, поэтому результаты следует интерпретировать с осторожностью. Более того, некоторые флуоресцентные репортеры имеют настолько чрезвычайно низкий порог рекомбинации, что они могут метить клеточные популяции в нежелательные моменты времени в отсутствие индукции.

Совсем недавно исследователи начали использовать подходы синтетической биологии и систему CRISPR / Cas9 для создания новых генетических систем, которые позволяют клеткам автономно записывать информацию о происхождении в своем собственном геноме. Эти системы основаны на специально разработанной целевой мутации определенных генетических элементов. Создавая новые случайные геномные изменения в каждом поколении клеток, эти подходы облегчают реконструкцию деревьев клонов. Эти подходы обещают обеспечить более всесторонний анализ родственных отношений в модельных организмах. Методы реконструкции вычислительного дерева также разрабатываются для наборов данных, созданных с помощью таких подходов.

Асимметрии раннего развития

У людей после оплодотворения , в зиготы делится на две клетки. Соматические мутации, которые возникают сразу после образования зиготы, а также на более поздних этапах развития, можно использовать в качестве маркеров для отслеживания клеточных клонов по всему телу. Начиная с расщепления зиготы, клоны вносили неравный вклад в клетки крови . Было обнаружено, что до 90% клеток крови происходят только из одного из первых двух бластомеров . Кроме того, нормальное развитие может привести к неравным характеристикам симметричных органов, например, между левой и правой лобной и затылочной корой головного мозга . Было высказано предположение, что эффективность репарации ДНК способствует дисбалансу клонов, поскольку дополнительное время, затрачиваемое клеткой на репарацию ДНК, может снизить скорость пролиферации.

Рекомендации